深水養(yǎng)殖平臺的水動力特性及錨泊安全

張甫杰, 朱云龍，王 丹，郭宇龍

(1.上海船舶運輸科學研究所有限公司 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室， 上海 200135；2.上海振華重工(集團)股份有限公司， 上海 200125)

0 引 言

當前，離岸深水養(yǎng)殖系統(tǒng)正朝著智能化、現(xiàn)場無人值守的方向發(fā)展，已在沿海地區(qū)得到規(guī)?；瘧?yīng)用。離岸深水養(yǎng)殖平臺由柔軟的網(wǎng)衣、剛性的箱體和多組桁架組成，屬于柔性體與剛性體的組合體。網(wǎng)衣屬于柔性結(jié)構(gòu)物，在外部載荷的作用下會發(fā)生變形。養(yǎng)殖平臺的水動力特性和錨泊系統(tǒng)的安全性是整個平臺設(shè)計的核心。平臺的抗風浪特性主要是指利用平臺自身浮箱的結(jié)構(gòu)強度和系泊結(jié)構(gòu)抵抗臺風、大浪等惡劣環(huán)境的性能。目前國內(nèi)外有關(guān)養(yǎng)殖平臺及其錨泊系統(tǒng)的時域運動響應(yīng)的研究在海洋工程裝備領(lǐng)域發(fā)展較快，已取得很多研究成果。

對于深水養(yǎng)殖平臺這種剛?cè)峤M合體的水動力特性，目前市場上還沒有成熟的商業(yè)軟件能用來對其進行準確分析，水池試驗仍是必不可少的手段。在對平臺進行試驗研究時,必須對網(wǎng)衣作特殊考慮，其承受的水動力對系泊系統(tǒng)的安全性有明顯的影響,國內(nèi)外已有很多學者對此進行研究。桂福坤等[1]和李玉成等[2]針對網(wǎng)箱模型試驗中的網(wǎng)衣相似性提出了新的模擬方法;SLAATTELID等[3]針對一種重力式網(wǎng)箱,對不同海況下錨繩的受力特性和浮架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特性進行了試驗研究;FREDRIKSSON等[4]通過模型試驗對重力式和蝶形網(wǎng)箱在波浪和水流作用下的運動特性進行了研究;COLBOURNE等[5]采用物模試驗和現(xiàn)場觀測方法認為水流對網(wǎng)衣受力起主導作用。

目前，對由箱體與桁架組成的剛性體的水動力性能,以及柔性網(wǎng)衣在純流和純波浪作用下的作用機理的研究已較為成熟，對由柔性體與剛性體組成的組合體的研究相對較少。本文主要針對養(yǎng)殖平臺的風流系數(shù)及其在規(guī)則波下的運動響應(yīng)、在錨泊狀態(tài)下的運動和受力情況進行試驗研究，獲得平臺的風流系數(shù)及其在規(guī)則波下的橫搖、縱搖和垂蕩頻率響應(yīng)曲線,平臺運動固有周期,系泊系統(tǒng)的系泊剛度,平臺運動和系泊纜受力的統(tǒng)計特征值等，為平臺及其錨泊系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和作業(yè)安全評估提供參考。

1 養(yǎng)殖平臺及其錨泊系統(tǒng)

1.1 養(yǎng)殖平臺主尺度

養(yǎng)殖平臺主要由箱體、桁架和柔性網(wǎng)衣組成，其主尺度見表1。綜合考慮水池的主尺度和試驗測量儀器的量程及精度，取模型的縮尺比為1∶30。圖1為養(yǎng)殖平臺的物理模型和數(shù)值模型。

表1 養(yǎng)殖平臺的主尺度

a) 物理模型

b) 數(shù)值模型

1.2 錨泊系統(tǒng)布置

錨泊系統(tǒng)采用四點錨泊布置方式，系泊鏈由2段直徑不同的錨鏈組成，水平距離為175 m，懸鏈線總長為202 m，躺地長度為170 m，上端飛濺區(qū)錨鏈長為8 m，上部錨鏈配3個5 t重的沉塊,下端錨鏈長為194 m。圖2為錨泊系統(tǒng)平面布置圖。

圖2 錨泊系統(tǒng)平面布置圖

1.3 環(huán)境參數(shù)

1) 作業(yè)水深：30 m。

2) 極限風速：51.5 m/s。

3) 流速：1 m/s。

4) 生存海況：Jonswap波譜(譜峰提升因子γ=3.3);有義波高Hs=5.0 m;譜峰周期Tp=10 s。

2 模型試驗設(shè)施

模型試驗在上海船舶運輸科學研究所有限公司的風浪流水池內(nèi)進行，該水池長90 m，寬15 m,水深為0.2～1.8 m。造波設(shè)備為液壓搖板式造波機，最大波高為30 cm，波動周期為0.5～3.0 s。造流方式為全場循環(huán)造流，最大流速為0.3 m/s;風速由可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的風機模擬，最大風速為10 m/s。在造波設(shè)備所在池邊的對岸設(shè)置消波灘，可有效消除波浪到達對岸池壁之后出現(xiàn)的反射作用。

2.1 相似理論

根據(jù)《風、浪、流聯(lián)合作用下浮式系統(tǒng)模型試驗規(guī)程》[6]的要求,模型的縮尺比采用1∶30,應(yīng)滿足幾何相似、流體動力相似、非定常流相似和錨鏈彈性相似。在模型中對柔性網(wǎng)衣作特殊處理，其需滿足幾何相似、重力相似和彈性相似。網(wǎng)衣模型設(shè)計遵循重力相似的變尺度網(wǎng)衣模型相似準則[7]，可有效解決波浪、水流作用下的網(wǎng)衣水動力特性模擬不準確的問題。由此,對網(wǎng)衣的輪廓尺寸采用1∶30的模型比尺，對網(wǎng)衣的網(wǎng)目大小和網(wǎng)線直徑采用1∶3的模型比尺,以精確模擬原型網(wǎng)衣的特性，降低網(wǎng)衣模型對水體流態(tài)和雷諾數(shù)的影響，保證水動力相似,使網(wǎng)衣模型制作方案可行。

2.2 試驗方法[8]

2.2.1 風、流作用下的試驗方法

將三分力傳感器固定在模型重心位置，使模型與副拖車連接，提前標定好要求的風速和流速，按試驗要求的速度分別啟動造風設(shè)備或造流設(shè)備，測量浮體模型在不同艏向角下受到的局部坐標系下x方向和y方向的分力，通過公式cwc=fwc/vwc2(其中:cwc為單位速度下的力系數(shù);fwc為要求風速或流速下的受力;vwc為風速或流速)推導出x方向和y方向的分力與速度的關(guān)系曲線。

2.2.2 規(guī)則波下的頻率響應(yīng)試驗方法

采用《海洋工程結(jié)構(gòu)物耐波性試驗規(guī)程》[9]推薦的約束系統(tǒng)布置方式，選擇合適的彈簧約束慢漂運動，將波高控制在一定范圍內(nèi)，模擬不同頻率(波長)的規(guī)則波進行10～12個單項試驗，在每個單項試驗中同步測量波浪及浮體的橫搖、縱搖和垂蕩時歷數(shù)據(jù)，并對其進行分析,得到浮體在規(guī)則波下的頻率響應(yīng)曲線。

2.2.3 錨泊狀態(tài)下的運動和受力測試方法

在模型的吃水、靜水衰減和水平系泊剛度校核完成之后，使錨鏈模型兩端分別與浮體的導纜孔和水池底部條件錨碇點相連接，并安裝提前標定好的拉力傳感器，檢查預(yù)張力和儀器信號準確無誤之后，開展風、浪、流同向條件下的運動和受力試驗測試。

3 數(shù)值計算與模型試驗結(jié)果

3.1 風、流系數(shù)

由于石油公司國際海事論壇(Oil Companies International Marine Forum,OCIMF)建議的風力和流力經(jīng)驗公式[10]是針對油船的，且與受風和迎流面積有關(guān)，考慮到養(yǎng)殖平臺的很多桁架和網(wǎng)衣的迎風、迎流投影面積難以準確計算，直接將試驗結(jié)果中的風、流系數(shù)換算成力與速度的關(guān)系。平臺大部分都處于水面之下，圖3為風、流系數(shù)的數(shù)值計算與模型試驗結(jié)果對比。從圖3中可看出，單位流速下的流力明顯大于單位風速下的風力，流力占絕對主導地位。數(shù)值計算采用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)軟件StarCCM+進行，計算中忽略網(wǎng)衣的影響。通過對比分析發(fā)現(xiàn),試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果整體的變化規(guī)律一致，相對來說比較吻合。

a) 風系數(shù)Fw

b) 流系數(shù)Fc

3.2 規(guī)則波下的運動響應(yīng)曲線

在數(shù)值分析中,采用基于三維勢流理論的水動力軟件HydroSTAR建立養(yǎng)殖平臺模型，其中桁架單元采用Morison桿單元，不考慮網(wǎng)衣模型的影響。圖4為通過模型試驗和數(shù)值計算得到的平臺在不同浪向、規(guī)則波作用下的運動響應(yīng)曲線?？傮w來說,模型試驗與數(shù)值計算結(jié)果的規(guī)律性一致，從某種程度上看,忽略網(wǎng)衣的影響可滿足工程應(yīng)用需求，側(cè)面證明網(wǎng)衣在純波浪作用下對平臺運動的影響較小，浮箱和桁架系統(tǒng)起決定性作用。

3.3 錨泊系統(tǒng)安全性試驗結(jié)果

3.3.1 靜水衰減結(jié)果

養(yǎng)殖平臺的穩(wěn)性值(初穩(wěn)心高度hGM)相比常規(guī)船大1個量級，因此衰減速度特別快，只能測得1～2個周期。圖5為橫搖和縱搖的靜水衰減曲線，其中:θ為縱搖角;s為波高;z為垂蕩值;w為波浪頻率。據(jù)此可求得平臺的橫搖周期為4.253 s，縱搖周期為4.576 s。

a) 0°浪向角下的縱搖結(jié)果

b) 0°浪向角下的垂蕩結(jié)果

c) 45°浪向角下的橫搖結(jié)果

d) 45°浪向角下的縱搖結(jié)果

e) 45°浪向角下的垂蕩結(jié)果

f) 90°浪向角下的橫搖結(jié)果

g) 90°浪向角下的垂蕩結(jié)果

a) 橫搖

b) 縱搖

3.3.2 水平系泊剛度

圖6為水平系泊剛度測試結(jié)果。由圖6可知：錨泊系統(tǒng)水平剛度試驗測量值與數(shù)值計算值的整體變化規(guī)律較為一致，由于錨泊系統(tǒng)相對比較柔，錨碇點處在初始狀態(tài)下無任何預(yù)緊力，水平拉力與位移的關(guān)系曲線與數(shù)值計算結(jié)果基本吻合；錨泊系統(tǒng)懸鏈線長度與水深比約為6.7，無論是縱向還是橫向，系泊剛度在位移小于25 m時都較小，在位移大于25 m之后呈現(xiàn)出高度的非線性，會導致迎浪側(cè)系泊纜受力激增。

a) 縱向

b) 橫向

3.3.3 風浪流聯(lián)合作用下的運動和受力值

養(yǎng)殖平臺在風力、流力和波浪平均漂移力作用下偏移到一個新的平衡位置處做往復運動，表2為4根系泊錨鏈的受力統(tǒng)計特征值，背浪側(cè)的1#和4#錨鏈處于松弛狀態(tài)，迎浪側(cè)的2#和3#錨鏈受力最大，最大值約為1 270 kN，遠小于錨鏈破斷負荷和錨抓力最大值，錨泊系統(tǒng)是安全的。表3為平臺運動統(tǒng)計值,橫搖和垂蕩最大值分別為10.30°和2.70 m。

表2 4根系泊錨鏈的受力統(tǒng)計特征值

表3 平臺運動統(tǒng)計值

4 結(jié) 語

針對深水養(yǎng)殖平臺的水動力特性及其錨泊系統(tǒng)的安全性進行了數(shù)值計算和物模試驗研究，主要得到以下結(jié)論：

1) 由于平臺的初穩(wěn)心高度很大，穩(wěn)性較好，衰減速度很快，平臺的固有周期較小;

2) 模型試驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果均表明,單位速度下流力的影響大于風力，流力占主導地位;

3) 基于勢流理論,忽略網(wǎng)衣影響的平臺運動響應(yīng)數(shù)值計算結(jié)果與帶網(wǎng)衣的模型試驗結(jié)果的變化規(guī)律基本一致;

4) 在風、浪、流同向(090°)工況下，風力、流力和波浪二階力迫使平臺偏離初始平衡位置，系泊纜在波頻和低頻作用下承受的最大作用力為1 272 kN，相對于錨鏈最小破斷負荷來說，安全系數(shù)為2.9，滿足船級社相關(guān)規(guī)范的要求，具有一定的安全裕度。